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Durata batterie al litio auto elettriche, quanto durano, come si deteriorano

Quanto dura la batteria di un'auto elettrica? Si parla di una vita media garantita di 8 anni e 160.000 km per Renault, Nissan, Tesla, Mercedes, BMW. Cerchiamo di capire come e perché si degradano nel tempo le batterie agli ioni di litio

L’impiego delle batterie al litio nei veicoli elettrici sta spingendo la ricerca dell’industria del settore a studiare come aumentarne la durata (Tesla in prima linea) e al contempo gli esperti hanno cominciato ad analizzare le cause dei guasti e del deterioramento naturale. Cerchiamo di capire quanto dura una batteria al litio di un’auto elettrica e come funziona la garanzia.

Quanto dura la batteria di un auto elettrica?

Quanto dura una batteria al litio di un’auto elettrica? Mentre la durata di 3 anni e 500 cicli di ricarica per una batteria del PC o uno smartphone è accettabile, gli 8 anni di vita per una batteria per auto elettrica, che possono sembrare tanti, in realtà preoccupano l’acquirente di un EV.

Presa di ricarica auto elettrica Nissan Leaf AC e DC
La durata di una batteria per auto elettriche è di circa 8 anni ma può influire la modalità di carica lenta e veloce

La sostituzione del pacco batterie in un auto elettrica incide molto e costa quanto un’auto compatta con motore endotermico tradizionale. Se la vita delle batterie potesse essere estesa, per esempio, fino a 20 anni, l’alto investimento iniziale necessario per l’acquisto di un’auto elettrica potrebbe essere maggiormente giustificato.

300.000 km con la ZOE

I produttori di veicoli elettrici scelgono batterie che sono ottimizzate per la durata piuttosto che per un’alta energia specifica; queste batterie sono più grandi e più pesanti infatti di quelle usate nell’elettronica di consumo.

Ci sono testimonianze di molti chilometri percorsi con le batterie, c’è anche chi come il francesce Frédéric Richard che ha percorso 200.000 km o lo Youtuber turco Erdem Çizmecioğulları che vanta l’ottima durata del suo pacco-batterie con il quale ha percorso 300.000 km. Nel video sotto fa vedere i dettagli utilizzanto l’applicazione CANZE (gratuita) per ZOE che legge tutti i valori tramite presa OBD.

Perché la batteria al litio si degrada?

Perché la batteria agli ioni di litio si degrada? Studi più approfonditi hanno rivelato che gli ioni di litio responsabili del trasporto delle cariche elettriche tra gli elettrodi erano diminuiti nel catodo ed erano permanentemente passati sull’anodo, quindi il catodo aveva una concentrazione di litio minore rispetto a una nuova cella. Questo fenomeno è irreversibile e quindi inevitabile il degrado della batteria.

Batteria agli ioni di litio con raffreddamento ad aria
Batteria agli ioni di litio con raffreddamento ad aria

I ricercatori hanno studiato l’efficienza con la quale gli elettroni sono trasferiti durante i cicli di carica e di scarica, detta efficienza coulombiana. Durante la carica il litio precipita sull’anodo in grafite e modifica la differenza di potenziale. Si crea un film chiamato Solid Electrolyte Interface (SEI) formato dagli atomi di litio sulla superficie dell’anodo.

Test durata batterie Nissan Leaf, quanto durano?

Le batterie della Leaf sono state sottoposte a duri cicli di test. Nissan aveva selezionato per la prima serie della Leaf una batteria al litio-manganese, a causa delle sue interessanti prestazioni. Il protocollo di test impiegato prevedeva una ricarica rapida a 1,5 Coulomb (C) in meno di un’ora e una scarica a 2,5 C per 20 minuti a una temperatura di circa 60 °C.

Nissan Leaf 3.Zero, batteria 40 kWh
Batteria Nissan Leaf (40 kWh)

Perdita capacità batteria nel tempo

Sottoposta a queste dure condizioni, la batteria a lunga durata dovrebbe perdere il 10% della capacità dopo 500 cicli di ricarica, che rappresentano 1-2 anni di guida. Questo test simulava una marcia del veicolo elettrico in condizioni molto pesanti (comprese sgommate tipiche di una guida aggressiva) e nonostante tutto la capacità di ricarica della batteria di manteneva intorno al 90%.

Cause perdita capacità della batteria al litio

Nonostante i test così accurati e intensivi i proprietari della Leaf prima serie hanno constatato una perdita di capacità del 27,5% dopo due anni di utilizzo e questo senza una guida particolarmente aggressiva. Cos’è che ha causato questa grossa differenza rispetto ai test?

Batteria e motore Nissan Leaf prima serie
Batteria e motore Nissan Leaf prima serie

I ricercatori hanno smontato le batterie danneggiate: srotolando la striscia di nastro di metallo lunga un metro e mezzo che forma l’anodo e il catodo della batteria, ricoperta di ossidi, hanno scoperto che la fine struttura dei nanomateriali era diventata grossolana.

Film che danneggia le batterie agli ioni di litio

Questo film è composto da ossido di litio e carbonato di litio e cresce ad ogni ciclo di ricarica: lo strato diventa più spesso e forma una barriera che ostacola l’interazione con la grafite. L’efficienza coulombiana varia a seconda del tipo di cella, come si può vedere nella tabella

Tipo di cella

Materiale

Efficienza coulombiana

Caratteristiche

Impieghi

Litio – Ossido di cobalto

LiCoO2
(60% Co)

Buona, scende leggermente a 50-60°C

Alta capacità , potenza limitata, fragile

Smartphone e PC laptop

Litio – Ossido di manganese

LiMn2O4

Bassa, cala ulteriormente a 40°C

Alta capacità, elevata potenza, resistente a usi intensi.

Attrezzi, e-bike, veicoli elettrici, strumenti medici, UPS

Litio – fosfato di ferro

LiFePO4

Media, cala a 50-60°C

Litio – Ossidi di nickel, manganese e cobalto

LiNiMnCoO2
(10–20% Co)

Buona, un piccolo calo a 60°C

Litio – Ossidi di nickel, cobalto e alluminio

LiNiCoAlO2
(9% Co)

non ancora misurata

Veicoli elettrici (Tesla Model S), batterie per sistemi di storage collegati alla rete

Titanato di litio

Li4Ti5O12

Eccellente

Grande durata ma costose e con bassa energia specifica

Al catodo avviene un fenomeno simile, noto anche come ossidazione dell’elettrolita (EO).

Degrado della batteria agli ioni di litio vs livello di carica

E’ stato appurato anche che più la batteria rimane sotto un’alta tensione più velocemente avviene la degradazione.

Per alta tensione in questo caso intendiamo una tensione di cella pari a 4,10 Volt. Gli studi comparativi sono stati realizzati caricando le celle fino a 3,92 Volt.

Perché si rovinano le batterie delle auto elettriche quando sono cariche al 100%?

Riepilogando i risultati di laboratorio ottenuti dalle batterie al litio-manganese testate della Nissan Leaf è stato appurata che una delle principali cause dei danni provocati alla batteria è la permanenza a tensioni di cella elevate e alte temperature.
Il test dell’efficienza coulombiana ha rivelato che queste ultime due condizioni provocano più danni dei cicli di carica e scarica.

Fabbrica Nissan di Sunderland per batterie di auto elettriche
Fabbrica Nissan di Sunderland per batterie di auto elettriche

Per questo è consigliato di non caricare completamente le batterie dell’auto elettrica oltre l’80% se non necessario. E’ consigliato caricare la batteria al 100% e livellare cosi la tensione di tutte le celle poco prima di affrontare un viaggio più lungo, in modo tale da riportare la tensione della batteria a valori più bassi.

Batteria agli ioni di litio del drone Mavic Pro, con autoscarica automatica dopo un certo numero di giorni
Batteria agli ioni di litio del drone Mavic Pro, con autoscarica automatica dopo un certo numero di giorni

Su questa insegna la MAVIC che ha inserito un sistema (Intelligent Flight Battery) di autoscarica delle batteria dei droni dopo alcuni giorni (si può impostare il numero dei giorni).

Consigli per allungare la vita della batteria agli ioni di litio

A tal proposito riportiamo i principali consigli della DJi per allungare la vita delle batterie agli ioni di litio di un drone sui quali si possono prende spunti…

  1. Riscaldare la batteria fredda.
  2. Pilotare con attenzione in caso di temperature elevate.
  3. Conservare correttamente la batteria. Per conservare la batteria, scegli di riporla in un ambiente asciutto, con temperatura tra i 22°C e i 28°C. Non riporre la batteria vicino a fonti di calore, e lontano da liquidi.
  4. Non conservare la batteria con una carica massima o troppo bassa per lungo tempo. Se devi conservare la batteria per un periodo maggiore ai 10 giorni, allora prima di farlo, assicurati che abbia una carica compresa tra il 40 e il 65% del totale. Puoi utilizzare l’app DJI GO e impostare il tempo di auto scaricamento (da 1 a 10 giorni). Se la batteria viene conservata con una carica residua inferiore al 10%, nel lungo periodo potrebbe scaricarsi.

Come si ricarica un’auto elettrica

Degrado batteria agli ioni di litio nel corso del tempo

Dalla tabella riepilogativa sotto si intuisce che bisogna evitare di lasciare una batteria agli ioni di litio con il pieno della carica: con il 40% di carica una batteria al litio durerà molto di più di una carica al 100%. Più la batteria è carica maggiore sarà il suo degrado naturale nel tempo anche senza utilizzarla.

Temperatura 40% di carica 100% di carica
0 °C (32 °F) 2% di perdita dopo 1 anno 6% di perdita dopo 1 anno
25 °C (77 °F) 4% di perdita dopo 1 anno 20% di perdita dopo 1 anno
40 °C (104 °F) 15% di perdita dopo 1 anno 35% di perdita dopo 1 anno
60 °C (140 °F) 25% di perdita dopo 1 anno 40% di perdita dopo 3 mesi
Degrado batteria agli ioni di litio nel corso del tempo

Attenzione a non esagerare con un livello troppo basso: se una batteria agli ioni di litio viene lasciata con poca carica c’è il rischio che la tensione scenda sotto la soglia di basso-voltaggio: attenzione perché c’è una centralina (BMS) che gestisce la carica della batteria che potrebbe impedirne la ricarica e la batteria sarà completamente inutilizzabile.

Aggiornamento BMS e “ripristino” batteria auto elettrica SOH

Quasi tutti i costruttori di batterie per auto elettriche per porre rimedio a questa inevitabile perdita di capacità nel tempo conservano una riserva di kWh che non viene utilizzata. Dopo un certo periodo quando il SOH (autonomia residua e stato di salute) della batteria scende sotto una soglia definita (es 75%) attraverso la riprogrammazione del BMS (sistema di controllo e gestione elettronico integrato nella batteria) rispristinano lo stato della batteria al 100% come fosse nuova.

Se sei arrivato qui in fondo dovresti aver capito che le batterie di un auto elettrica non durano a vita, ma lentamente perdono la capacità di immagazzinare energia nel tempo anche se inutilizzate.

4 fattori che causano la perdita di capacità della batteria al litio

I fattori principali che causano perdita di capacità e fine vita delle batterie sui quali i costruttori di batterie lavorano per migliorarne l’efficienza.

  • degradazione meccanica degli elettrodi o perdita di pressione nelle celle a sacchetto. Un accurato progetto delle celle e una corretta scelta degli additivi negli elettroliti riduce questo fenomeno.

  • crescita del SEI sull’anodo, che aumenta la resistenza interna. La crescita di questo strato provoca la perdita di efficienza nella maggior parte delle batterie al litio con grafite, quando la tensione di carica è tenuta sotto i 3,92 V a cella. Anche in questo caso l’impiego di additivi nell’elettrolita rallenta la degradazione.

  • formazione dell’ossidazione dell’elettrolita (EO) al catodo, che porta a un’improvvisa perdita di capacità della batteria. È provocato da tensioni di cella superiori a 4,10 V e alte temperature.

  • “placcatura” di litio sull’anodo causata da elevate frequenze di ricarica.

Durata batterie, Toyota, Tesla, la garanzia quanto dura

Batteria Tesla Roadster, durata e garanzia

I nuovi modelli Tesla si basano su una precisa filosofia progettuale, ovvero il sovradimensionamento del pacco batterie per ridurne lo stress durante il funzionamento. Questo approccio denota che Tesla ha concentrato i suoi sforzi sull’ottenimento di un’alta densità di energia per la massima autonomia. L’aspetto negativo del sovradimensionamento è un maggiore consumo di energia nei movimenti dovuto essenzialmente al maggiore peso del veicolo e un costo più alto della batteria

Tesla Roadster 2020
Tesla Roadster

La durata della GARANZIA TESLA per batteria e motore varia a seconda del modello: sono coperti per un periodo di temo ed numero massimo di chilometri (a seconda dell’eventualità che si verifica per prima).

8 anni o 240.000 km per Model S e Model X

8 anni o 160.000 km Model 3 e Model Y Standard o Standard Range Plus

8 anni o 192.000 km su Model 3 e Model Y Long Range o Performance

La garanzia interviene quando la capacità della batteria scende sotto la soglia del 70%.

La Tesla offre una Garanzia sui veicoli nuovi per 4 anni oppure 80.000 km a seconda dell’eventualità che si verifica per prima. Sono coperte le spese per la riparazione di parti difettose e malfunzionamenti come costo manodopera e materiali compresi i ricambi.

Al Nurburgring Tesla Model S
Una Tesla Model S

Toyota sulla Prius ha sostituito le batterie Ni-MH della precedente generazione con le nuove agli ioni di litio, Li-ion, garantite per 8 anni o 300.000 km.

Per la durata di una batteria Tesla fissa un periodo di 8 anni per un chilometraggio di 200.000 km sulle batterie a 60 kWh: quelle da 70 kWh non sono fissati limiti di percorrenza.

Garanzia batteria auto elettrica Nissan, Tesla, Mitsubishi, BMW, Renault

8 anni o 160.000 km è la garanzia per Nissan Leaf, di Mitsubishi per Outlander Phev, stesso periodo ma ridotta da BMW sulla i3 e sulla i8 ad un chilometraggio di appena 100.000 km.

Batteria Renault Zoe da 52 kWh
La batteria della ZOE da 52 kWh

Renault sulle batterie a noleggio garantisce l’efficienza sempre superiore al 75% della capacità iniziale: se scende viene “ripristinata” al 100% con aggiornamento BMS o in caso di guasto riparata e sostituita in tempi rapidi.
Sempre Renault nel caso di batteria acquistata, garantisce la capacità di carica della batteria della ZOE di almeno 66% del suo livello iniziale per almeno 8 anni o 160.000 Km fino al primo dei 2 termini raggiunto.

Come ricaricare l’auto elettrica

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Batteria Nissan Leaf prima serie
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Manuel Cerfeda

Da sempre appassionato di automobilismo e di scrittura. È ingegnere e lavora nel campo delle energie rinnovabili. Ama leggere libri di tecnica motoristica e automobilistica, in particolare sulla storia della Formula 1 e delle auto da competizione in genere. Molto attratto dalle auto storiche, in particolare le youngtimer: il suo sogno è una Porsche 911 Carrera 4 Targa, serie 964 del 1989. Possibilmente rossa. E' autore umoristico e satirico: scrive sulla rivista “L’odio digitale” e ha pubblicato i libri “Autopsie ipocaloriche e altri metodi per perdere peso” e “L'anagramma di derma (non madre, quell'altro)”.
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